СПОСОБ КОРРЕКЦИИ АБЕРРАЦИЙ В ОПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТАХ ИЗ СТЕКЛА Российский патент 2008 года по МПК G02B3/00 G02B1/12 

Изобретение относится к способам обработки стекла в расплавах солей в режиме свободной диффузии катионов и может быть использовано для расчетной коррекции аберраций в оптических элементах из стекла.

С этой целью в стекле обеспечивают получение градиента показателя преломления. В предлагаемом способе обработки стекла путем ионного обмена в расплаве солей в несветочувствительном стекле предварительно изготавливается приповерхностный светочувствительный слой с переменной по концентрации кристаллической фазой, через который и происходит диффузия катионов в стеклянную матрицу. Для регулирования градиента показателя преломления поверхность элемента облучается УФ-излучением, ослабленным прохождением материала.

Изобретение относится к способам обработки стекла в расплавах солей в режиме свободной диффузии катионов и может быть использовано для получения элементов градиентной и интегральной оптики, а также для коррекции аберраций оптических элементов.

Цель изобретения - обеспечение получения в стекле заранее рассчитанного градиента показателя преломления для коррекции аберраций в элементах оптики. К аналогам изобретения можно отнести: "Способ изготовления стекла с градиентом показателя преломления" (Патент РФ №2008287, кл. С03С 21/00, 1994 г.) и "Способ обработки стекла" (Патент РФ №1743133, кл. С03С 21/00, 1996 г.). К признакам первого аналога, "Способ изготовления стекла с градиентом показателя преломления", которые совпадают с существенными признаками заявляемого изобретения, можно отнести:

1. Способ обработки стекла для получения в нем градиента показателя преломления.

2. Состав обрабатываемого стекла.

3. Технологические параметры способа обработки стекла.

К причинам, препятствующим получению технического результата, который обеспечивается изобретением, а именно коррекции аберраций в оптических элементах из стекла, можно отнести:

1. Отсутствие выбранного из других параметров обработки, заранее рассчитанного и независимого от других технологического параметра, специально для коррекции аберраций в оптическом элементе. Этим параметром является время экспозиции при УФ-облучении стекла.

2. Воздействию УФ-облучения должна быть подвержена именно обратная поверхность оптического элемента, т.е. облучение этой поверхности должно быть ослаблено прохождением материала оптического элемента, именно в этом случае распределение получаемого градиента показателя преломления будет соответствовать изменению времени экспозиции при УФ-облучении стекла.

К признакам второго аналога, "Способ обработки стекла", которые совпадают с существенными признаками заявляемого изобретения, можно отнести:

1. Изготовление в стекле градиента распределения показателя преломления путем ионообменной диффузии в системе "стекло - расплав соли".

2. Изменение формы распределения градиента показателя преломления в стекле путем варьирования технологических параметров при обработке стекла.

К причинам, препятствующим получению технического результата, который обеспечивается изобретением, а именно соответствия расчетной и изготовленной в стекле формы распределения градиента показателя преломления для коррекции аберраций в оптических элементах, можно отнести:

1. Отсутствие варьируемого технологического параметра, закон изменения которого соответствовал бы расчетному закону распределения показателя преломления в стекле.

2. Высокая степень зависимости получаемой формы градиента показателя преломления от флуктуации температуры расплавов солей и параметров электрического поля.

Предлагаемый способ позволяет получить в стекле плавное распределение показателя преломления, которое можно заранее рассчитать с целью коррекции аберраций оптического элемента. Форму расчетного распределения показателя преломления можно изготовить в реальном оптическом элементе путем изменения такого, независимого от других технологического параметра, как время экспозиции при облучении стекла ультрафиолетовым светом. В этом случае расчетный закон коррекции аберраций очень просто запрограммировать в изменение скорости сканирования УФ-облучением по поверхности оптического элемента. После завершения технологического цикла обработки стекла данным способом на обратной действию излучения стороне оптического элемента получается расчетное распределение показателя преломления. Так же получается и оптический элемент с заранее скоректированными аберрациями. Экономический эффект при использовании данного способа будет возникать за счет получения принципиально новых изделий, а также за счет коррекции аберраций в уже изготовленных оптических элементах при экономии материала, времени и трудоемкости их изначального изготовления.

Способ включает в себя 4 стадии обработки стекла:

1. Изготовление светочувствительного слоя в несветочувствительном стекле путем проведения ионообменной диффузии в стекло.

2. Облучение стекла ультрафиолетовым светом с целью создания в светочувствительном слое центров кристаллизации на обратной стороне элемента, фиг.2.

3. Отжиг стекла с целью образования в светочувствительном слое кристаллической фазы.

4. Проведение через полученный кристаллический слой ионообменной диффузии с целью получения в стекле градиента показателя преломления.

На фиг.1 изображен образец стекла с изготовленным в нем светочувствительным слоем при внедрении в стекло ионов серебра из расплава солей NaNO+AgNO (образец В) и образец стекла со светочувствительными свойствами, распределенными по всему объему (образец А). Распределение кристаллической фазы в светочувствительном слое образца В имеет четкие границы, в отличие от образца А.

На фиг.2 схематически изображен способ облучения образца стекла ультрафиолетовым светом, где лицевая грань стеклянного параллелепипеда попадает под непосредственное воздействие облучения, а обратная - под воздействие облучения, ослабленного прохождением материала стекла.

С помощью специального устройства обеспечивается изменение времени экспозиции по заранее заданному закону при облучении лицевой и обратной граней (сторон) стеклянного параллелепипеда (образца). Номера позиций в блок-схеме установки обозначают следующие элементы:

1. Фотодиодная матрица.

2. Образец стекла.

3. Бумажная лента с рисунком движения образца.

4. Подсветка устройства РУ-5 - 02 М.

5. Оптическая щель.

6. Лампа ДРШ - 100 с УФ-излучением.

7. Барабаны для намотки бумажной ленты.

8. Электродвигатель привода барабанов.

9. Электродвигатель держателя образца.

10. Редуктор.

На фиг.3 изображен линейный закон изменения времени экспозиции при облучении поверхности стеклянного образца и график зависимости смещения интерференционной картины вдоль лицевой и обратной граней стеклянного образца.

На двух приведенных графиках показано соответствие формы распределения градиента показателя преломления на обратной стороне образцов линейному закону изменения времени экспозиции (у=х) при сканировании УФ-облучением по поверхности двух образцов, изготовленных в одинаковых условиях и отличающихся только кратным числом сканирований.

Способ иллюстрируется примерами.

Пример 1.

Берут стеклянную плоскопараллельную пластинку, изготовленную с размерами 30×8×5 мм, рабочие поверхности пластинки 30×8 мм полируются. Состав стекла (мас.%): Si₂O - 76, Al₂O₃ - 8.0, K₂O - 4.0, Li₂O - 12.0, Ce₂O - 0.03. Пластинка опускается в ванну с расплавом солей (мас.%): LiNO₃ - 99.75, AgNO₃ - 0.25, и выдерживается в ней 5 минут при температуре 570°С. В результате под рабочими поверхностями пластинки образуется светочувствительный слой толщиной от 80 до 120 мкм, фиг.1.

После этого вдоль рабочих поверхностей пластинки производиться сканирование УФ-облучением по заранее заданному закону изменения скорости сканирования. Сканирующее пятно представляет собой прямоугольник (8×1) мм.

Источник облучения мощностью 100 Вт находится на расстоянии 10 мм от лицевой грани пластинки, фиг.2.

После этого пластинка помещается в печь и выдерживается в ней 2 часа при температуре 600°С. В результате в светочувствительных слоях, изготовленных в гранях пластинки, образуется кристаллическая фаза метасиликата лития с концентрацией по координате длины поверхности, зависящей от времени экспозиции при УФ-облучении стекла, фиг.1. После отжига пластинка опускается в ванну с расплавом солей (мас.%): NaNO₃ - 80, AgNO₃ - 20, и выдерживается в ней 11 часов при температуре 470°С.

В результате ионы серебра диффундируют в стекло через изготовленный в нем кристаллический слой, и со стороны обратной грани стеклянной пластинки дельта n (градиент показателя преломления в стекле) по форме будет повторять форму закона изменения скорости сканирования пятна УФ-облучения вдоль рабочей поверхности пластинки, фиг.3.

Полученный образец шлифуют и помещают в плоскопараллельную кювету с иммерсионной жидкостью. Кювету устанавливают в одно из плеч интерферометра Маха-Цендера.

Из интерферограммы видно, что в образце имеется распределение показателя преломления с градиентом, параллельным обрабатываемой поверхности стекла.

На фиг.3 представлена полученная графическая зависимость дельта n(r), (дельта n - градиент показателя преломления в стекле, r - координата вдоль поверхности).

Пример 2.

Берут плосковыпуклую линзу из стекла состава (мас.%): SI₂O - 76, Al₂O₃ - 8, K₂O - 4, Li₂O - 12, Ce₂O - 0.03 диаметром до 100 мм и определяют наличие, типы и численные значения аберраций в данной линзе. При помощи расчетных формул определяется форма распределения значений показателя преломления по радиусу линзы (r) со стороны ее плоской обратной поверхности для коррекции данных аберраций.

Например, для коррекции аберраций данной линзы был произведен расчет, на основании которого была получена форма полинома вида:

где: n(r) - радиальное распределение показателя преломления;

n_о - показатель преломления в центре линзы;

r - радиальная координата.

Пусть, на основании проведенного расчета, полученная форма полинома примет вид: n(r)=r(2), тогда изменение скорости сканирования УФ-излучения по поверхности линзы задается законом: у=х (3). На фиг.3 показано соответствие полученного градиента показателя преломления на обратной (плоской) стороне линзы закону (3) при УФ-облучении, ослабленном прохождением ее толщи. Выпуклую и плоскую поверхность линзы полируют, после чего линза опускается в ванну с расплавом солей (мас.%): LiNO₃ - 99.75, AgNO₃ - 0.25 и выдерживается в ней 5 минут при температуре 570°С. В результате под плоской и выпуклой поверхностями линзы образуются светочувствительные слои толщиной от 80 до 120 мкм, фиг.1.

После этого линза устанавливается в специальное устройство, которое обеспечивает вращение линзы и одновременное сканирование пятном УФ-облучения диаметром 1 мм вдоль радиуса линзы со скоростью, изменяющейся в соответствии с расчетной формой распределения значений показателя преломления по радиусу линзы фиг.2, при этом источник облучения мощностью 100 Вт находится на расстоянии 10 мм от центра выпуклой лицевой поверхности.

После этого линза помещается в печь и выдерживается в ней в течение 2 часов при температуре 600°С. В результате в светочувствительных слоях, изготовленных в линзе образуется кристаллическая фаза метасиликата лития с концентрацией по координате радиуса линзы, зависящей от времени экспозиции при УФ-облучении линзы, фиг.1.

После отжига линза опускается в ванну с расплавом солей (мас.%): NaNO₃ - 80, AgNO₃ - 20 и выдерживается в ней 11 часов при температуре 470°С.

В результате ионы серебра диффундируют в стекло через через изготовленный в нем кристаллический слой и со стороны плоской поверхности линзы вызывают изменение показателя преломления в стекле, соответствующее форме закона изменения скорости сканирования пятна УФ-облучения по радиусу линзы, фиг.3. После этого полученные кристаллические слои сошлифовываются с выпуклой и плоской поверхности линзы, эти поверхности снова полируются с выдерживанием всех геометрических параметров линзы до технологической обработки, и производится проверка линзы на наличие в ней аберраций. Если численные значения оставшихся аберраций превышают приемлемый уровень, то данный технологический цикл можно повторить.

Способ предназначен для коррекции аберраций путем создания градиента показателя преломления в оптических элементах из стекла. При реализации способа в несветочувствительном стекле предварительно изготавливается приповерхностный светочувствительный слой, в котором путем воздействия УФ-облучением с экспозицией, соответствующей расчетному градиенту, и ослабленным прохождением материала стекла оптического элемента, образуется переменная по концентрации кристаллическая фаза, которая используется в качестве кристаллической маски с переменной диффузионной прозрачностью, через которую осуществляют ионный обмен из расплава солей. Технический результат - обеспечение получения в стекле заранее расчитанного градиента показателя преломления для коррекции аберраций. 3 ил.

Способ коррекции аберраций в оптических элементах из стекла путем ионного обмена из расплава солей через кристаллическую маску с переменной диффузионной прозрачностью, образованную в материале стекла, отличающийся тем, что при получении расчетного градиента показателя преломления в стекле изготавливается светочувствительный слой, в котором путем воздействия УФ-облучением с экспозицией, соответствующей расчетному градиенту, и ослабленным прохождением материала стекла оптического элемента образуется переменная по концентрации кристаллическая фаза.